抽水蓄能机组变频启动同期调控参数匹配方法探讨

方军民，郑小刚

(华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江安吉　313302)

【摘　要】　抽水蓄能电站静止变频装置，主要用于将机组拖动至电动机方向的额定转速，并联合同期装置使机组并网。本文简要介绍了抽水蓄能机组抽水调相工况SFC启动时，同期装置与SFC调节器同期调节与控制参数匹配，及其对同期调节效果的影响。

【关键词】　抽水蓄能;静止变频器;同期调控

0　引言

静止变频启动作为抽水蓄能机组抽水调相工况(SCP)的主要启动方式，已经被广泛运用。静止变频启动电流稳定，转速调节柔和，电流冲击小、大轴扭矩小，对机组机械部件损伤小，启动成功率也很高。但是，仍然存在同期调节时间长，甚至因并网困难而导致机组启动失败的问题。目前国内抽水蓄能电站用静止变频启动装置(SFC)仍以进口产品为主。而进口SFC厂家因为其产品在国内抽水蓄能电站的市场份额较小(相对于冶金、风电等)，并不是很重视该行业SFC的应用。在现场调试试验时，往往只注重SFC系统本身的调节试验与参数调整。对于SFC与同期装置之间存在调节配合的参数匹配并不是很重视。而且，往往只注重电站首台机组的调试工作，而忽略了后续投产机组的差异性调试。结果忽略了上述实际普遍存在的SFC启动过程中同期调节时间偏长的问题。为此，本文作者在深入研究SFC的调节原理后，结合应用实践，提出抽水蓄能机组变频启动同期调控参数匹配的一系列方法，供同行业相关专业人员交流与探讨。

1　SFC同期调控方式介绍

对于抽水蓄能机组静止变频启动，按照同期装置的安装位置不同，同期控制方式通常分为机组侧同期调控和SFC侧同期调控两种。

机组侧同期调控方式，同期装置随机组安装在机组现地控制柜，每台机组各装一套。同期装置负责机组所有工况下的同期检测与调控，不同的同期模式有不同的控制逻辑和调节参数。SFC启动作为其中的一种模式，通常具有单独的同期控制逻辑和调节参数。由SFC检测机组速度大于98%～99%额定转速后，启动同期装置。同期装置采集并检测机组和电网侧电压信号，将两侧电压信号处理为电压差、频率差和相角差信号。根据预设的同期设定值，计算并输出调节命令。其中电压差信号处理产生电压调节命令，发给励磁调节器，由励磁调节器完成电压差调节任务。频率差和相角差信号处理均产生频率调节命令，发给SFC调节器，由SFC调节器完成频率差和相角差调节任务。待同期装置检测上述三个同期调节均满足时，发出机组出口开关合闸命令，同时退出SFC调节。

SFC侧同期调控方式，在SFC控制柜安装一套独立的同期装置，专门用于机组SFC启动时同期调控，各机组公用。其控制逻辑与机组侧同期调控SFC模式类似。

抽蓄机组变频启动同期调节过程中，电压相对稳定，也比较容易调节。决定同期调节时间长短的主要因素是频率调节。故SFC与同期装置间的调控参数匹配显得非常重要。

2　同期频率调节命令参数匹配

同期频率调节命令在同期装置和SFC调节器的参数匹配得当与否，都将关系到整个同期过程的频率调节效果。

2.1　同期装置频率调节脉冲匹配

同期装置SFC模式调节参数主要有，频率调节速率(即频率调节脉冲宽度，单位通常为s/ Hz)和频率调节周期(即频率调节脉冲间隔时间，单位通常为s)。

同期频率调节命令通常以变脉宽的脉冲形式通过中间继电器送至SFC调节器。在频率差较小的情况下，调频脉冲宽度势必很小。如果脉冲宽度时间小到只有中间继电器的固有动作时间时，该命令信号就无法传送至SFC，造成命令信号丢失。为此，在进行同期装置与SFC之间的频率调节速率匹配时，宜将信号源端的同期装置频率调节速率设得大一些，然后在信号接收端的SFC控制器侧将相应的频率调节速率按比例折算至合适的值。这样就能减少短脉冲调节命令信号丢失的概率，提高同期调节精度，缩短同期调节时间。

由于安装工艺、安装误差和设备制造公差等因数影响，即使设计参数完全一致的不同机组，在SFC启动时，仍存在阻力矩不完全一致的现象。该阻力矩差异在机组同期阶段尤其明显，如果不进行同期参数适应性匹配，各机组同期调节将无法达到最优。为此，针对机组间阻力矩差异，各机组同期参数通常需要分机组进行单独匹配。而SFC属于全站所有机组的公用启动设备，通常是一套参数对应多台机组。故该环节的参数匹配优先选择在机组同期装置侧完成，包括同期装置频率调节速率和频率调节周期的匹配。参数匹配合理后，每台机组将有不同的同期调节能力，将有效缩短机组同期并网时间。

考虑到同期装置发给SFC的调频脉冲作用在SFC控制器侧本身就是一个微调量，这个微调量经电磁力矩转化后作用在转子上所引起的机组转速变化并不大，即每一个调频脉冲执行后对机组转子的扭力冲击并不大。故宜将频率调节速率设得大一些，将频率调节周期设得小一些(通常为5～10s)。

2.2　SFC同期频率调节速率匹配

为防止电网频率大阶跃变化时，造成SFC频率过调，宜在SFC速度调节器接收同期频率调节命令环节，设置调节脉冲宽度限制(通常为2～3s)。

SFC调节器的增速调节和减速调节速度曲线类似于抛物线，加速阶段为抛物线的上升沿段，减速过程则对应抛物线的下降沿段。在机组同期阶段，SFC输出电流本身就只是一个维持机组空转平衡所需的空载电流，通常仅为额度电流的20%左右。在如此小的电流基础上，加速调节所需的加速度要求相对较大，故增速调节响应就比较慢。但是对于减速调节而言，维持电流减小后，因机组阻力矩的作用，减速调节响应就明显快得多，机组转速下降得会比较快。为此，在匹配同期频率调节速率时，宜考虑两者的差异性。而在同期装置侧，频率调节速率通常为同一个值，不区分增速和减速的过程。故宜在SFC调节器侧，将增速调节速率设得大一些，而将减速调节速率设得小一些。

3　SFC速度调节模式选择

SFC调节器通常由速度调节器和电流调节器组成速度调节环和电流调节环两个调节闭环，电流环为速度环内的小闭环[1]。影响同期调节效果的主要是速度环。SFC速度调节器调控模式主要分两种，P调节(差值比例放大调节器)和PI调节(差值比例放大与积分联合调节器)。对应于不同的调节模式，具有不一样的同期调节效果。

前者可称为渐近式调节，仅有差值比例放大调节。被控对象实调值随着调节过程不断逼近目标值，直至两者(实调值和目标值)的差值进入调节死区，随机调节停止。后者也可称为超调式调节，是差值比例放大与积分累积综合调节。通常为了简化程序，SFC速度调节器仅选择其中一种模式，但都有其各自的缺点。

3.1　渐近式速度调节模式

渐近式速度调节模式，在低转速阶段，因为SFC输出电流较大，启动力矩较大，机组升速顺利。但在高速阶段后程，机组转速逐渐接近额定转速，由于速度差值越来越小，SFC的输出启动电流随之减小。最终减小至空载维持电流。此时，如果遇到尾水管压力波动等影响，导致阻力矩偏大的情况，极易出现机组升速困难的现象，导致机组转速长时间无法到达同期装置启动转速门槛。

在同期调节阶段，机组转速达额定转速，SFC在空载维持电流的基础上，接受同期装置的频率增减微调信号，将其转化为速度目标值的微小变化，即调节力度也很小。如果同期装置和SFC的同期频率调节速率设得过小，或同期装置频率调节周期设得过大，在电网频率变化波动较大的情况下，也极易出现频率跟随困难、同期调节时间超长的现象，甚至导致机组并网失败。

3.2　超调式速度调节模式

超调式速度调节模式，因为速度调节器有速度差值放大积分的累积效果，不会出现上述机组升速困难的现象。但在同期调节阶段，机组转速达额定值后，因为该调节器或多或少都有超调，机组转速将超过目标值(通常即机组转速额定值)。此时，同期装置也已启动调节，在同期装置和SFC调节器的双重作用下，往往出现较大的过度调节，从而导致机组转速不易稳定的现象。

在电网频率变化波动较大或转轮室压力波动较大的情况下，该模式的调节器频率跟随的能力更强一些，但是如果波动过大，以至于超出调节器的稳定范围时，也将出现机组转速难以稳定的现象，甚至导致机组并网失败。

3.3　复合式速度调节模式

上述单一的渐近式或超调式调节，都有其各自的局限性，参数匹配矛盾重重。而且，受机组大修后性能变化、水库水位变化、各机组的差异性等诸多因数的影响，同期装置和SFC调节器调控效果易受干扰，从而影响机组变频启动的成功率，以至于需要重新匹配调控参数。为此，可将SFC调节器改进为复合式速度调节模式，即采用渐近式和超调式综合调节模式。在同期装置启动前，采用超调式调节，同期装置启动后，切换为渐近式调节。这样既不会出现同期调节前的升速困难，又不会出现同期调节过程中的转速不稳现象。针对上述渐近模式下极易出现的频率跟随困难现象，适当放大同期频率调节速率即可。

4　SFC与同期装置同期调控参数匹配举例

针对上述调控性能较优的SFC复合式速度调节模式，结合实际应用效果，提供如下一套SFC速度调节器与同期装置调控参数，供同类电站应用参考。

4.1　SFC启动目标转速

设定区间为(100%～100.1%)额定转速，对应频率50～50.05Hz。

考虑到机组SFC启动时段，电网频率通常处于偏高位(50.05Hz左右)，故将SFC启动目标转速参考设得适当高一些。

4.2　SFC启动同期频率

设定区间为49～49.5Hz，对应为(98%～99%)额定转速，并延时5～10s后开放同期装置调节命令的接收。

在100%额定转速前启动同期装置，提前开放同期装置的同期检测与开关合闸功能，即提前开放同期装置的同期窗口，以争取机组转速上升期的并网机会。但在SFC调节器通过延时开放同期调节命令的接收，从而实现同期装置与SFC此刻的错峰调节，提高调节稳定性。

4.3　SFC与同期装置频率调节脉冲

(1)SFC增速调节速率设定区间:(0.1%～0.2%)额定转速，对应频率变化0.05～0.1Hz/s。该值为SFC调节器折算后值(不计同期装置与SFC调节器之间脉冲信号传输的放大)。

(2)SFC减速调节速率设定区间:(0.05%～0.1%)额定转速，对应频率变化0.025～0.05Hz/s。

(3)SFC频率调节脉冲宽度限制:2～3s。

(4)同期装置频率调节速率设定区间:5～15s/Hz。

(5)同期装置频率调节脉冲周期:5～10s。

机组同期并网的频率差值条件通常为0.05～0.1Hz，SFC输出电流变化转化为电磁转矩变化的时间通常为数秒，特给出上述参数设置范围。不同机组的阻力差别则通过同期装置参数进行匹配。

4.4　SFC速度调节器的放大倍数和积分时间常数

(1)启动同期调节前。放大倍数15～20。积分时间常数按照不同的积分器效果设定。

(2)启动同期调节后。放大倍数15～20。积分时间常数为0(即退出积分)。

需要注意的是，放大倍数的改变也会引起积分效果的改变，参数匹配时，需要考虑两者之间的相互影响。

另外，积分时间常数与积分效果为反比关系，即积分时间常数越小，积分效果越明显，反之，积分时间常数越大，积分效果越弱。积分时间常数应选得适中，不宜过小或过大。积分时间常数过小，积分效果过大，将导致超调过大，机组容易超速且易引起速度振荡;反之，积分时间常数过大，积分效果就不明显了。

5　SFC同期调节效果说明

机组由SFC从静止启动至SCP工况稳态全过程，所需时间主要由启动准备、启动升速和同期调节三个阶段的耗时组成。其中启动准备阶段的过程时间相对固定，通常约60s;启动升速阶段的过程时间(如果忽略上述同期前的升速困难情况)也相对固定，通常约180～240s;同期调节阶段的过程时间则长短不一，短则5s左右，长则达200～300s，甚至更长或因同期超时造成启动失败。由此可见，影响机组SCP启动过程时间的主要因数即同期调节阶段的过程时间。某些电站为规避SCP启动过程中因同期调节超时而导致机组启动失败的风险，往往采取二次同期[2]或直接延长同期调节时间限制的措施。因此，SFC同期调节效果往往不能单纯从启动成功率方面来评估，而应以调节时间长短作为评估依据。如果SFC同期调节参数匹配得合理，将大大缩短同期调节过程时间。下面，以某电站的实际效果图对此进行说明。

图1为(曲线①为机组转速，曲线②为SFC输出电流，曲线③为SFC速度参考标幺值，曲线④为同期装置增速命令)因SFC同期参数匹配不合理(渐近式速度调节模式)，造成机组升速困难的情况。机组转速在接近额定转速，但仍低于同期启动转速时出现升速困难现象。图2为图1升速困难现象的局部放大，可见，机组转速长时间到达不了同期启动转速后，转速下滑，引起SFC调节器转速偏差增大，随即SFC增大输出电流，才将机组转速抬升至同期启动转速槛值，此后再由同期装置增速命令继续升速，最终使机组并网。此类情况，虽然机组启动最终是成功的，但启动过程往往多耗时约60～120s。

图3和图4为(曲线①为机组转速，曲线②为SFC输出电流，曲线③SFC速度参考标幺值，曲线④为同期装置增速命令，曲线⑤为同期装置减速命令)因SFC同期参数匹配不合理(渐近式速度调节模式)，造成SFC在同期调节阶段出现频率跟随困难的情况。SFC先是经过3个增速调节，将机组转速调过了一点;随即经过2个减速调节，机组转速下滑得又太多了;随即又经过3个增速调节，才使机组转速稳定。说明同期装置和SFC的同期频率调节速率设得过小(或同期装置频率调节周期设得过大)，SFC输出电流的变化率较小且响应速度较慢，使得机组频率跟随电网频率变化的能力较差，出现频率跟随困难现象。反之，如果同期装置和SFC的同期频率调节速率设得过大(或同期装置频率调节周期设得过小)，又将出现SFC超调式速度调节模式参数设置不当时极易发生的转速不稳现象。

图5和图6为(曲线①为机组转速，曲线②为SFC输出电流，曲线③为SFC速度参考标幺值，曲线④为同期装置增速命令，曲线⑤为同期装置减速命令)SFC同期参数匹配合理(复合式速度调节模式)的效果。启动过程中，机组升速过程连贯且顺畅，无升速阻涩现象;过渡至同期调节阶段时，机组转速也非常稳定。经过短短几个调节周期(如图5中仅经2个减速脉冲)，机组即顺利同期并网;参数匹配得当时，转速稳定到甚至常常不需要一次增速或减速调节机组即快速同期并网。

6　结语

SFC与同期装置同期调控参数匹配合理后，将极大增强SFC在抽水蓄能机组变频启动同期调节过程中的调节能力，从而实质性地解决机组高速阶段升速困难、同期调节阶段频率跟随慢、转速不稳定和调节易受干扰等问题，极大缩短机组的并网时间，提高机组的启动成功率。

参考文献:

[1]方军民.抽水蓄能机组变频启动技术介绍[J].水电站机电技术，2012，35(2):17-19.

[2]孙莉莉，汪志强.广蓄B厂机组同期装置的控制原理及技术改进[J].水电站机电技术，2007，30 (1):33-35.

作者简介:

方军民(1977—　)，男，浙江开化人，大学本科，助理工程师，主要从事水电站运维、检修工作。E-mail:thpfjm@163.com

郑小刚(1977—　)，男，浙江江山人，大学本科，工程师，主要从事水电站运维检修管理工作。